深入理解计算机系统 第11章 笔记整理
这次回顾深入理解计算机系统第11章网络编程。
电子书地址：
参考资料：
https://blog.csdn.net/u012294618/article/details/77979604
备注：图片和总结内容均来自于电子书。
第11章：网络编程
重要概念
- 客户端服务器编程模型
- 网络对计算机来说是数据源和数据接收方
- 网络层次结构
- 局域网
- 以太网
- 广域网
- 局域网
- internet和Internet
- IP地址
- 点分十进制表示法
- 因特网域名，DNS(Domain Name System, 域名系统)
- localhost，回送地址(loopback address)，127.0.0.1
- 套接字：“地址：端口”
- 连接由套接字对确定
客户端服务器编程模型
许多网络应用都是基于客户端-服务器模型；
采用这个模型，一个应用是由一个服务器进程和一个或者多个客户端进程组成；
服务器管理某种资源，并且通过操作这种资源来为它的客户端提供某种服务；
客户端-服务器模型的基本操作时事物，由以下四步组成：
网络
客户端和服务器通过计算机网络的硬件和软件资源来通信；
对于主机而言，网络只是有一种I/O设备，是数据源和数据接收方：
物理上而言，网络是一个按照地理远近组成的层次系统：
最底层是LAN(Local Area Network，局域网)
最流行的局域网技术是以太网(Ethernet)；
一个以太网段(Ethernet segment)包括一些电缆(通常是双绞线)和一个叫做集线器的小盒子：
以太网一端连接到主机的适配器，另一端则连接到集线器的一个端口上；
每个以太网适配器都有一个全球唯一的48位地址, 它存储在这个适配器的非易失性存储器上；
一台主机可以发送一端位（称为帧(frame)）到这个网段内的其他任何主机，每个帧包括一些固定数量的头部位，此后紧随的就是数据位的有效载荷；
使用一些电缆和叫做网桥(bridge)的小盒子，多个以太网段可以连接成较大的局域网， 称为桥接以太网(bridged Ethernet)，如下图所示：
局域网的简化表示如下：
在层次的更高级别中，多个不兼容的局域网可以通过叫做路由器(router)的特殊计算机连接起来，组成一个internet(互联网络)；
每台路由器对于它所连接到的每个网络都有一个适配器（端口）；
路由器也能连接高速点到点电话连接，这是称为WAN(Wide-Area Network，广域网)的网络示例；
示例：
互联网络使用协议完成网络通信，示例如下：
说明：
- internet表示互联网络，Internet表示全球IP因特网；
全球IP因特网
全球IP因特网是最著名和最成功的互联网络实现，因特网客户端-服务器应用程序的基本硬件和软件组织如下：
IP地址
IP地址是无符号32位整数：
/* $begin inaddr */
/* IP address structure */
struct in_addr {
uint32_t s_addr; /* Address in network byte order (big-endian) */
};
/* $end inaddr */说明：
- IP地址通常是以一种称为点分十进制表示法来表示的，每个字节由它的十进制值表示，并且用句点和其他字节间分开；
- 例如，128.2.194.242是地址0x8002c2f2的点分十进制表示；
应用程序使用inet_pton和inet_ntop函数来实现IP地址和点分十进制串之间的转换：
#include <arpa/inet.h>
int inet_pton(AF_INET, const char *src, void *dst);
返回：若成功则为1，若src为非法点分十进制地址则为0，若出错则为-1。
const char *inet_ntop(AF_INET, const void *src, char *dst, socklen_t size);
返回：若成功则指向点分十进制字符串的指针，若出错则为NULL。说明：
- inet_pton函数将一个点分十进制串(src)转换为一个二进制的网络字节顺序的IP地址(dst)；
- 如果src没有指向一个合法的点分十进制字符串，那么该函数就返回0；
- 任何其他错误会返回-1，并设置errno；
- 相似地，inet_ntop函数将一个二进制的网络字节顺序的IP地址(src)转换为它所对应的点分十进制表示，并把得到的以null结尾的字符串的最多size个字节复制到dst；
因为因特网主机可以有不同的主机字节顺序，TCP/IP为任意整数数据项定义了统一的网络字节顺序(network byte order)（大端字节顺序），Unix提供了下面这样的函数在网络和主机字节顺序间实现转换：
#include <arpa/inet.h>
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
uint16_t htons(uint16_t hostshort);
返回：按照网络字节顺序的值。
uint32_t ntoh1(uint32_t netlong);
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);
返回：按照主机字节顺序的值。说明：
- hotnl(s)函数将32(16)位整数由主机字节顺序转换为网络字节顺序；
- ntohl(s)函数将32(16)位整数由网络字节顺序转换为主机字节顺序；
因特网域名
因特网客户端和服务器互相通信时使用的是IP地址；
然而，对于人们而言，大整数是很难记住的，所以因特网也定义了一组更加人性化的域名(domain name)，以及一种将域名映射到IP地址的机制；
域名是一串用句点分隔的单词（字母、数字和破折号），例如whaleshark.ics.cs.cmu.eduo；
域名集合形成了一个层次结构，每个域名编码了它在这个层次中的位置：
域名到IP的映射由分布式数据库DNS(Domain Name System, 域名系统)来维护；
每台因特网主机都有本地定义的域名localhost，这个域名总是映射为回送地址(loopback address) 127.0.0.1；
常用命令：
nslookup domain hostname
因特网连接
因特网客户端和服务器通过在连接上发送和接收字节流来通信；
一个套接字是连接的一个端点，每个套接字都有相应的套接字地址，是由一个因特网地址和一个16位的整数端口组成的，用“地址：端口”来表示；
当客户端发起一个连接请求时，客户端套接字地址中的端口是由内核自动分配的，称为临时端口(ephemeral port)。然而，服务器套接字地址中的端口通常是某个知名端口，和服务对应；
一个连接是由它两端的套接字地址唯一确定的，这对套接字地址叫做套接字对(socket pair)，由下列元组来表示:
(cliaddr: cliport, servaddr: servport)示例：
套接字接口
套接字接口(socket interface)是一组函数，它们和Unix I/O函数结合起来，用以创建网络应用，下图给出了一个典型的客户端-服务器事务的上下文中的套接字接口：
套接字地址结构
代码：
/* $begin sockaddr */
/* IP socket address structure */
struct sockaddr_in {
uint16_t sin_family; /* Protocol family (always AF_INET) */
uint16_t sin_port; /* Port number in network byte order */
struct in_addr sin_addr; /* IP address in network byte order */
unsigned char sin_zero[8]; /* Pad to sizeof(struct sockaddr) */
};
/* Generic socket address structure (for connect, bind, and accept) */
struct sockaddr {
uint16_t sa_family; /* Protocol family */
char sa_data[14]; /* Address data */
};
typedef struct sockaddr SA;
/* $end sockaddr */说明：
- 因特网的套接字地址存放在sockaddr_in的16字节结构中；
- 对于因特网应用，sin_family成员是AF_INET，sin_port成员是一个16位的端口号，而sin_addr成员就是一个32 位的IP地址，IP 地址和端口号总是以网络字节顺序（大端法）存放的；
socket函数
客户端和服务器使用socket函数来创建一个套接字描述符(socket descriptor)：
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);
返回：若成功则为非负描述符，若出错则为-1。使用说明：
clientfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);- AF_INET表明我们正在使用32位IP地址，SOCK_STREAM 表示这个套接字是连接的一个端点；
- socket返回的clientfd描述符仅是部分打开的，还不能用于读写；
connect函数
客户端通过调用connect函数来建立和服务器的连接：
#include <sys/socket.h>
int connect(int clientfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
返回：若成功则为0，若出错则为-1。说明：
connect函数试图与套接字地址为addr的服务器建立一个因特网连接，其中addrlen是sizeof(sockaddr_in)；
connect函数会阻塞，一直到连接成功建立或是发生错误。
如果成功，Clientfd描述符现在就准备好可以读写了，并且得到的连接是由套接字对
(x:y, addr.sin_addr:addr.sin_port)刻画，其中x表示客户端的IP地址，y表示临时端口；
服务器用bind，listen，accept函数和客户端建立连接。
bind函数
代码：
#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
返回：若成功则为0，若出错则为-1。说明：
- bind函数告诉内核将addr中的服务器套接字地址和套接字描述符sockfd联系起来；
- 参数addrlen是sizeof(sockaddr_in)；
listen函数
代码：
#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);
返回：若成功则为0，若出错则为-1。说明：
- 默认情况下，内核会认为socket函数创建的描述符对应于主动套接字；
- 服务器调用listen函数告诉内核，描述符是被服务器而不是客户端使用；
- listen函数将sockfd从一个主动套接字转化为一个监听套接字，该套接字可以接受来自客户端的连接请求；
- backlog参数从略；
accept函数
服务器通过调用accept函数来等待来自客户端的连接请求：
#include <sys/socket.h>
int accept(int listenfd, struct sockaddr *addr, int *addrlen);
返回：若成功则为非负连接描述符，若出错则为-1。说明：
- accept函数等待来自客户端的连接请求到达监听描述符listenfd，然后在addr中填写客户端的套接字地址，并返回一个已连接描述符(connected descriptor)，这个描述符可被用来利用Unix I/O函数与客户端通信；
监听描述符和已连接描述符的关系和区别：
主机和服务的转换
getaddrinfo
getaddrinfo函数将主机名、主机地址、服务名和端口号的字符串表示转化成套接字地址结构：
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>
int getaddrinfo(const char *host, const char *service,
const struct addrinfo *hints,
struct addrinfo **result);
返回：如果成功则为0，如果错误则为非零的错误代码。
void freeaddrinfo(struct addrinfo *result);
返回：无。
const char *gai_strerror(int errcode);
返回：错误消息。
/* $begin addrinfo */
struct addrinfo {
int ai_flags; /* Hints argument flags */
int ai_family; /* First arg to socket function */
int ai_socktype; /* Second arg to socket function */
int ai_protocol; /* Third arg to socket function */
char *ai_canonname; /* Canonical hostname */
size_t ai_addrlen; /* Size of ai_addr struct */
struct sockaddr *ai_addr; /* Ptr to socket address structure */
struct addrinfo *ai_next; /* Ptr to next item in linked list */
};
/* $end addrinfo */说明：
给定host和service（套接字地址的两个组成部分），getaddrinfo返回result，result一个指向addrinfo结构的链表，其中每个结构指向一个对应于host和service的套接字地址结构：
- host是域名或者IP；
- service是服务名或者端口号；
- host和service可以设置为NULL，但是至少要指定其中一个；
- 如果要传递hints参数，则只能设置字段ai_family，ai_socktype，ai_protocol，ai_flags；
- 字段说明见11.4.7；
freeaddrinfo释放链表；
gai_strerror将getaddrinfo返回的错误代码转换成消息字符串；
getnameinfo
getnameinfo将一个套接字地址结构转换成相应的主机和服务名字符串：
#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>
int getnameinfo(const struct sockaddr *sa, socklen_t salen,
char *host, size_t hostlen,
char *service, size_t servlen, int flags);
返回：如果成功则为0，如果错误则为非零的错误代码。说明：
- getnameinfo函数将套接字地址结构sa转换成对应的主机和服务名字符串，并将它们复制到host和servcice缓冲区；
- 参数sa指向大小为salen字节的套接字地址结构；
- host指向大小为hostlen字节的缓冲区；
- service指向大小为servlen字节的缓冲区；
- host和service可以设置为NULL，但是至少要指定其中一个；
- flags参数说明见11.4.7；
示例
/* $begin hostinfo-ntop */
#include "csapp.h"
int main(int argc, char **argv)
{
struct addrinfo *p, *listp, hints;
struct sockaddr_in *sockp;
char buf[MAXLINE];
int rc;
if (argc != 2) {
fprintf(stderr, "usage: %s <domain name>\n", argv[0]);
exit(0);
}
/* Get a list of addrinfo records */
memset(&hints, 0, sizeof(struct addrinfo));
hints.ai_family = AF_INET; /* IPv4 only */
hints.ai_socktype = SOCK_STREAM; /* Connections only */
if ((rc = getaddrinfo(argv[1], NULL, &hints, &listp)) != 0) {
fprintf(stderr, "getaddrinfo error: %s\n", gai_strerror(rc));
exit(1);
}
/* Walk the list and display each associated IP address */
for (p = listp; p; p = p->ai_next) {
sockp = (struct sockaddr_in *)p->ai_addr;
Inet_ntop(AF_INET, &(sockp->sin_addr), buf, MAXLINE);
printf("%s\n", buf);
}
/* Clean up */
Freeaddrinfo(listp);
exit(0);
}
/* $end hostinfo-ntop */
套接字接口的辅助函数
open_clientfd
客户端调用open_clientfd建立与服务器的连接，返回一个打开的套接字描述符：
#include "csapp.h"
int open_clientfd(char *hostname, char *port);
返回：若成功则为描述符，若出错则为-1.open_listenfd
调用open_listenfd函数，服务器创建一个监听描述符，准备好接收连接请求：
#include "csapp.h"
int open_listenfd(char *port);
返回：若成功则为描述符，若出错则为-1。说明：
open_listenfd函数打开和返回一个监听描述符，这个描述符准备好在端口port上接收连接请求。
Web服务器
略过，见练习课本。